8

BAB II

KAJIAN PUSTAKA

2.1 Feses Kambing

Kambing yang tersebar luas di daerah tropis dan subtropis memiliki

kemampuan beradaptasi pada berbagai lingkungan dengan baik dan tersebar luas

diberbagai wilayah di Indonesia. Kegunaan kambing biasanya diambil dagingnya,

selain itu juga mempunayi manfaat sebagai tabungan hidup, penghasil biogas, dan

Fesesnya dibuat pupuk kandang (Devendra dan Burns, 1994).

Kambing merupakan ternak yang sangat bermamfaat bagi kehidupan kita.

Yang mana dalam Al-Quran disebutkan beberapa manfaatnya kepada manusia,.

Beberapa manfaat kambing ternak telah dijelaskan dalam beberapa ayat dalam Al-

Quran seperti surat An-Nahl ayat 5. Dalam surat ini dijelaskan bahwa Allah telah

menciptakan binatang ternak untuk diambil manfaatnya

z yF{ $#u $ y s)n=yz 3 6s9 $ y ot u $ y u t =2' s? Artinya : Dan dia Telah menciptakan binatang ternak untuk kamu; padanya ada

(bulu) yang menghangatkan dan berbagai-bagai manfaat, dan sebahagiannya kamu makan (QS : An-Nahl (16) : 5)

Dari ayat di atas, yang mana dalam surat An-Nahl ayat 5, kita dapat

mengambil manfaatnya seperti bulu yang bisa kita gunakan untuk menghangatkan

dan sebagiannya kita makan. Ayat lain yang membahas tentang manfaat hewan

adalah surat Al-Hajj ayat 28 :

9

(#y uj9 y ot s9 (# 2t u z$# ! $# 5$ r& BM t= 4n? t $ t s%y u .i y t/ y F{$# ( (#=3s $ p] (# r&u }!$ t69 $# u )x9 $#

Artinya : Supaya mereka menyaksikan berbagai manfaat bagi mereka dan supaya mereka menyebut nama Allah pada hari yang Telah ditentukan atas rezki yang Allah Telah berikan kepada mereka berupa binatang ternak Maka makanlah sebahagian daripadanya dan (sebahagian lagi) berikanlah untuk dimakan orang-orang yang sengsara dan fakir (QS: Al-Hajj ayat (22):28) .

Seiring dengan kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi serta

kecerdasan manusia yang terus bertambah maka manusia terus menggunakan dan

memamfaatkan hal-hal selain di atas tadi, yaitu memanfaatkan Feses hewan.

Karena Feses hewan juga ciptaan Allah sehingga manusia harus berpikir tentang

manfaat Feses hewan yang mengandung zat-zat hara yang bermanfaat bagi

kehidupan manusia. Feses kambing termasuk dalam sampah organik karena

sebagian besar tersusun oleh senyawa-senyawa organik. Bahan organik yang

terkandung di dalam feses kambing berasal dari sisa-sisa tanaman atau bahan

lainnya yang menyusun di dalamnya yang telah dirombak dan dihancurkan dalam

saluran pencernaan ruminansia tersebut (Waluyo, 2009).

Tekstur dari Feses kambing adalah sangat khas, karena berbentuk butiran-

butiran yang agak sukar dipecah secara fisik sehingga berpengaruh terhadap

proses dekomposisi dan proses penyediaan haranya, feses kambing juga

mempunyai nilai C/N pada umumnya masih diatas 30, sebenarnya feses yang baik

mempunyai rasio C/N kurang dari 20, sehingga Feses kambing akan lebih baik

penggunaannya bila dikomposkan terlabih dahulu (Widowati et al, 2005). Feses

10

kambing mempunyai kandungan N yang tinggi dan kadar airnya rendah. Oleh

karena itu proses pelapukannya cepat, sehingga lebih cepat matang. Keadaan

demikian merangsang jasad renik melakukan perubahan-perubahan aktif,

sehingga perubahan berlangsung dengan cepat (Djoehana, 1986).

Feses kambing mempunyai kandungan bahan organik berserat berupa

selulosa yang cukup tinggi, berdasarkan hasil analisis bahwa Feses kambing

mengandung beberapa bahan organik penting lainnya seperti hemiselulosa, lignin,

karbon, dan nitrogen. Secara umum pupuk kandang yang berasal dari Feses

kambing yang telah dibuat kompos mengandung 1,85 % N, 11,3 % C/N, 1,14 %

P, 2,49 K (Nurtjahya, 2003).

Salah satu ternak yang cukup berpotensi sebagai sumber pupuk organik

adalah kambing. Feses kambing mengandung bahan organik dan nitrogen

berturut-turut 40-50% dan 1,2-2,1%. Kandungan tersebut bergantung pada bahan

penyusun ransum, tingkat kelarutan nitrogen pakan, nilai biologis ransum dan

kemampuan ternak untuk mencerna ransum. Produksi urin kambing dan domba

mencapai 0,6-2,5 l/hari dengan kandungan nitrogen 0,51-0,71%. Variasi

kandungan tersebut tergantung pada pakan yang dikonsumsi, tingkat kelarutan

protein kasar pakan, serta kemampuan ternak untuk memanfaatkan nitrogen asal

pakan (Nurtjahya, 2003).

Tabel 2.1. Komposisi Pada Feses Kambing

No Komposisi Feses Kambing 1. Kadar Air 64 %

2. Bahan Organik 31 %

3. Karbon 46,51 %

11

Sumber : Pinus Lingga (2001).

Feses kambing yang tersusun dari feses, urin dan sisa pakan mengandung

nitrogen lebih tinggi dari pada yang hanya berasal dari feses. Feses kambing

mengandung bahan organik yang dapat menyediakan zat hara bagi tanaman

melalui proses penguraian. Proses ini terjadi secara bertahap dengan melepaskan

bahan organik yang sederhana untuk pertumbuhan tanaman. Feses kambing

mengandung sedikit air sehingga mudah diurai. Penggunaan Feses ternak dalam

bentuk kompos sebagai pupuk organik akan memperbaiki struktur dan komposisi

hara tanah. Tanah olahan yang diberi kompos menjadi lebih gembur, mengandung

cukup hara, serta mampu mengikat dan menyimpan air (Djoehana, 1986).

Feses kambing dalam konsentrasi 160-170 gram perliter aquades dapat

digunakan sebagai sumber mikroba pengganti cairan rumen. Konversi serat kasar

pakan menjadi produk pada ruminansia yang dipelihara intensif belum optimal,

karena hanya 10-35% energi dari serat kasar yang dapat dimanfaatkan. Kondisi ini

terjadi karena 20% sampai 70%, selulosa tidak tercerna dan keluar bersama feses.

Pencernaan serat kasar dalam rumen belum optimal juga dibuktikan berdasarkan

kenyataan bahwa kadar serat kasar pada pada feses tinggi dan proses fermentasi

tetap berlangsung (Krause et al, 2003).

4. Posfat 0,67 %

5. Nitrogen 1,41

6. Kalium 0,75

7. Rasio C/N 32,98 %

12

2.2 Bakteri Selulolitik

Allah SWT telah menciptakan berbagai macam jenis makhluk hidup,

sedangkan pencarian dan pemanfaatannya tergantung dari manusia. Isyarat adanya

makhluk hidup yang lebih kecil telah difirmankan oleh Allah SWT dalam QS. Al-

Baqarah (2) : 26.

) !$# tGt r& z>o W sVt $ Z |t/ $ ys $ y s% s 4 $ r' s %!$# (# t#u t n=us r& ,ys 9 $# n/ ( $ r&u t% !$# (# x2 9 )u s !#s$t y# ur& !$# #xy /

W sVt / #Z V2 t u / # Z Wx. 4 $ t u / ) t) x9$#

Artinya: Sesungguhnya Allah tiada segan membuat perumpamaan berupa nyamuk atau yang lebih rendah dari itu [33]. Adapun orang-orang yang beriman, maka mereka yakin bahwa perumpamaan itu benar dari Tuhan mereka, tetapi mereka yang kafir mengatakan: "Apakah maksud Allah menjadikan ini untuk perumpamaan?." Dengan perumpamaan itu banyak orang yang disesatkan Allah, dan dengan perumpamaan itu (pula) banyak orang yang diberi-Nya petunjuk. Dan tidak ada yang disesatkan Allah kecuali orang-orang yang fasik (QS. Al-Baqarah (2):26).

Ibnu Katsir menafsirkan bahwa kata (yang lebih rendah dari itu),

menunjukkan bahwa Allah SWT kuasa untuk menciptakan apa saja, yaitu

penciptaan apapun dengan obyek apa saja, baik yang besar maupun yang lebih

kecil. Allah SWT tidak pernah menganggap remeh sesuatu pun yang Dia ciptakan

meskipun hal itu kecil. Orang-orang yang beriman meyakini bahwa dalam

perumpamaan penciptaan yang dilakukan oleh Allah memiliki manfaat bagi

kehidupan manusia (Al-Mubarok, 2006).

13

t yu / 3s9 $ N u y9 $# $ tu F{$# $ Y sd i 4 ) 9 s ;M t U 5 s)j9 3xtGt

Artinya: Dan Dia telah menundukkan untukmu apa yang di langit dan apa yang

di bumi semuanya, (sebagai rahmat) daripada-Nya. Sesungguhnya pada yang demikian itu benar-benar terdapat tanda-tanda (kekuasaan Allah) bagi kaum yang berfikir. (QS. Al-Jaatsiyah 45: 13).

Ayat di atas menunjukkan bahwa manusia dapat memanfaatkan segala

sesuatu yang diciptakan oleh Allah SWT, termasuk bakteri untuk kemaslahatan

kehidupan manusia. Para ahli bahasa menerangkan bahwa kata memudahkan

atau menundukkan pada ayat di atas ialah sesuatu yang dapat kita tundukkan atau

kita taklukkan yang berarti memudahkan (menundukkan) segala isi alam semesta

untuk kepentingan manusia. Karena di dalam alam semesta dilangit dan dibumi,

tidak ada sesuatu pun yang sukar untuk dipergunakan oleh manusia itu, asal saja

ia suka menggunakan akal fikrian serta ilmu pengetahuannya dan suka

menggusahakan untuk diambil manfaatnya, serta mengerti bagaimana

mengembangkan kebaikan-kebaikan yang berasal dari benda tersebut (Assibai,

1993).

Jika dilihat dari sistem taksonomi, bakteri selulolitik merupakan makhluk

hidup yang berada pada sistem yang paling rendah yang tidak dapat diamati.

Sehingga jelaslah bahwa Allah SWT selain menciptakan makhluk yang dapat

dilihat secara langsung, juga menciptakan berbagai macam jenis makhluk hidup

yang tidak dapat dilihat secara langsung atau lebih kecil. Bakteri selulolitik adalah

14

kelompok jasad renik yang memiliki kemampuan mendegradasikan selulosa

menjadi senyawa dengan berat molekul yang lebih kecil seperti selobiosa dan

glukosa (Thayer, 1978).

Bakteri selulolitik merupakan bakteri pencerna selulosa dengan produk

akhir suksinat dan asetat. Bakteri selulolitik akan menempel pada fragmen

substrat dan mengeluarkan enzim yang dapat memotong ikatan molekul selulosa,

memindahkan ikatan samping, menghidrolilsis selulosa dan menghasilkan

fragmen oligosakarida, selubiose dan disakarida yang larut. Selubiose yang

digunakan oleh bakteri yang menghasilkannya maupun oleh mikroorganisme yang

lain yang tidak dapat merombak selulosa (Weimer, 1996). Secara umum

mikroorganisme yang berasosiasi dengan bakteri selulolitik tergantung pada

karbohidrat yang terlarut (Miron dan Ghedalia, 1996).

Bakteri selulolitik ditumbuhkan pada media agar berbasis serat sebagai

sumber selulosa seperti CMC (Carboxymethyl cellulose). Jumlah koloni bakteri

selulolitik menurun seiring dengan bertambahnya waktu. Perubahan media dari

cair ke padat dengan kadar air terbatas, sekitar 20 % diduga merupakan faktor

utama penyebab penurunan populasi bakteri, tetapi bakteri selulolitik mampu

hidup dalam media padat walaupun dalam kepadatan rendah (Cruch, 1988).

Enzim selulase sangat aktif memutuskan turunan selulosa yang dapat larut

(selulosa amorf) seperti CMC (Carboxymethyl cellulose) menghasilkan

selodekstrin, selobiosa dan glukosa. CMC-ase merupakan salah satu komponen

kompleks enzim selulase yang menyerang secara acak bagian dalam struktur

selulosa. Aktivitas CMC-ase pada koloni bakteri selulolitik pada media CMC-agar

15

membentuk zona bening di bawah dan sekitar koloni menunjukkan adanya

mikroba selulolitik (Thorm et al, 1996). Bakteri perombak selulosa secara

ekstraseluler karena selulosa tidak larut air. Mikrobia memproduksi dua tipe

sistem kerja enzim ekstraseluler (Peres et al., 2002) :

1. Sistem hidrolitik, yaitu dengan cara menghasilkan enzim hidrolase yang

bekerja merombak selulosa dan hemiselulosa, dan

2. Sistem oksidatif yag bersifat lignolitik dan sekresi lignase ekstraseluler

dengan cara depolimerisasi lignin. Mikroba memproduksi enzim

ekstraseluler untuk depolimerasi senyawa yang berukuran besar menjadi

kecil dan larut dalam air (subtrat bagi bakteri)

Pengaruh temperatur atau suhu dalam hidrolisis selulosa sangar penting.

Hidrolisis selulosa oleh bakteri aerob memiliki sushu optimum antara 20-30C,

sedangkan bakteri anaerob tumbuh tumbuh dengan baik pada suhu 37C. Bakteri

selulolitik thermofilik tumbuh optimum pada suhu 50-65C (Sutedjo et al, 1991)

Mikroorganisme pendegradasi selulosa ditemukan di berbagai ekosistem.

Enzim selulosa dapat dihasilkan oleh berbagai bakteri dan fungi, aerob dan

anerob, mesofil dan termofil. Fungi aerob yang dapat mendegradasi selulosa

diantaranya adalah Trichoderma viride, Trichoderma reesi, Penicillium

pinophilum, Sporotrichum pulvelentum, Fusarium solani, Tolaromyces emersonii,

dan Trichoderma koningii. Hanya sedikit mikroorganisme yang digolongkan ke

dalam kelompok seperti fungi termofilik aerobik ( Sporotrichum thermophile,

Thermoascus aurantiacus, Chetomium thermophile, Humicola insolens), fungi

16

mesofil anaerobik (Neocallimastix frontalis, Piromonas communis, Sphaeromonas

communis) (Bhat, and Bhat, 1997).

Bakteri selulolitik yang menghasilkan enzim selulosa, yaitu Bakteri

mesofilik dan termofilik aerobik (Cellumonas sp, celvibrio sp, Microbispora

bispora, Thermomonospora sp), bakteri mesofilik dan termofilik anaerobik

(Acentivibrio cellulolyticus, Bacteriodes cellulosolvent, Bacteriodes succinogenes,

Ruminococcus albus, Ruminococcus flavefaciens dan Clostridium termocellum).

Bakteri pendegradasi selulosa termofil dapat menghasilkan enzim selulase yang

relatif stabil (tahan pada kondisi asam atau basa dan pada suhu tinggi hingga

90C) (Bhat, and Bhat, 1997).

Tabel 2.2. Mikroba Pendegredasi selulosa

Organism Pendegredasi Selulosa Sumber Jumlah koloni

Clostridium thermocellum Nonruminanl 0.16

Ruminococcus flavefaciens Ruminal 0.08

Fibrobacter succinogenes Ruminal 0.07

Ruminococcus albus Ruminal 0.05

Cellulomonas uda Nonruminanl 0.006

Cellulomonas flavigena Nonruminanl 0.027

White-rot fungi (5 species) Nonruminanl < 0.002

Brown-rot fungi (8 species) Nonruminanl < 0.004

(Weimer et al., 1999)

Organisme dapat mendegradasi selulosa dan menjadikan selulosa sebagai

sumber karbon tunggal yang secara ekologi menjadi sangat penting, dan sebagian

besar proses degradasi selulosa terjadi dalam keadaan aerob. Hanya 5-10%

17

degrdasi yang berlansung secara anaerob. Bakteri selulotik yang ditemukan

terdapat pada filum Thermotogae, Proteobacteria, Actinobacteria, Spirochaetes,

Firmicutes, Fibrobacteres and Bacteroides. Diperkirakan 80% isolat yang

diperoleh ditemukan pada filum Firmicutes dan Actinobacteria dan mayoritas

bakteri pendegradasi selulotik Gram positif masuk ke dalam kelas Clostridia dan

genus Clostridium yang termasuk ke dalam Filum Firmicutes (Levin et al., 2009).

Peran mikrobia selulolitik menjadi penting karena dapat menjaga

keseimbangan unsur-unsur yang ada di alam. Bakteri selulotik ditemukan di

berbagai ekosistem. Contoh bakteri selulotik adalah Cellumonas sp, celvibrio

sp.,Microbispora bispora, Cytophaga sp, Thermomonospora sp., Acentivibrio

cellulolyticus, Bacteriodes cellulosolvent, Bacteriodes succinogenes,

Ruminococcus albus, Ruminococcus flavefaciens dan Clostridium termocellum.

(Bhat and Bhat, 997).

Kondisi yang baik bagi pertumbuhan bakteri selulolitik tidak hanya

bergantung pada kondisi media tersebut, tetapi kondisi pengudaraan (aerasi) juga

sangat menentukan. suatu metode untuk memperoleh kondisi pertumbuhan yang

ideal, yaitu menuangkan media dalam erlenmeyer atau tabung reaksi dalam

lapisan tipis saja (tidak lebih dari 1-2 cm) kemudian menginkubasikan di atas alat

pengocok (shaking incubator) (Weimer, 1996)

Faktor pH medium pertumbuhan menentukan jenis mikroba selulolitik

yang dominan. Pada medium dengan pH 6,5-7,0 populasi mikroba yang

mendominasi adalah vibrio dan jamur. Pada medium agak asam pH 5,7-6,2

mikroba yang dominan adalah vibrio dan Cytophaga. Pada medium asam dengan

18

pH 5,5 didominasi oleh jamur berfilamen. Pada medium sedikit basa dengan pH

7,1-7,6 merupakan pH optimum untuk bakteri vibrio. Sedangkan Cytophaga

membutuhkan medium dengan pH basa dalam proses degradasi selulosa

(Alexander, 1976).

2.3 Selulosa

Selulosa (C6H10O5) adalah senyawa polisakarida yang paling melimpah di

alam dan ditemukan pertama kali sekitar tahun 1838. Senyawa ini menjadi

komponen penyusun utama bagi dinding sel tanaman (Ekawati, 2003). Selulosa

memiliki struktur molekul linier tak bercabang dengan subunit glukosa yang

dirangkaikan oleh ikatan - 1,4-glukosida. Masing masing molekul selulosa

dibentuk oleh lebih dari 10000 D-glukosa sehingga berat molekulnya mencapai

1,8. 106 D (Weimer dkk, 1996).

Setiap molekul selulosa mengandung tiga tipe unit glukosa yaitu glukosa

dengan ujung yang tereduksi (reducing end), glukosa yang ujungnya tidak

Gmbar 2.1 : Struktur Selulosa

(Thayer, 1978)

19

tereduksi (nonreducing end) dan anhydroglucopyranose.. Unit monomer

anhydroglucopyranose adalah molekul selulosa yang mengandung 3 gugus

hidroksil primer dan dua gugus hidroksil sekunder. Monomer nonreducing end

mengandung empat gugus hidroksil dan monomer reducing end mengandung

gugus hemiacetal pada penambahan tiga gugus hidriksil (Palonen, 2004).

Selulosa merupakan penyusun dinding sel tanaman, jumlahnya berlimpah

pada tanaman, umumnya memiliki daya cerna yang rendah dibanding bahan

nutrien lain. Hewan ruminansia seperti sapi dan domba tidak memiliki

kemampuan mendegradasikan selulosa. Selulosa dapat dihidrolisis dengan proses

tertentu menjadi glukosa (Campbell, 1994).

Selulosa adalah komponen struktural yang banyak ditemukan pada dinding

sel tanaman terrestrial dan laut, juga diproduksi oleh beberapa tanaman laut dan

bakteri. (Tahyer, 1978). Sellulosa adalah polisakarida yang mempunyai fungsi

sebagai unsur struktural pada dinding sel tumbuhan tingkat tinggi. Sellulosa

berbentuk serabut, liat, tidak larut di dalam air, dan ditemukan terutama pada

bagian berkayu pada tumbuhan. Sellulosa adalah polisakarida terbanyak yang

ditemukan pada tanaman.

Selulosa adalah polimer dari glukosa, dengan rumus bangun molekulnya

tidak bercabang dan dihubungkan oleh ikatan 1,4 - glukosida. Panjang gugus

glukosa pada polimer selulosa adalah bervariasi antara 2.000-10.000 unit

(Fessenden, 1978), bahkan ada yang sampai 14.000 unit glukosa (Thayer, 1978).

Selulosa merupakan komponen yang sangat melimpah di biosfer.

Kandungan selulosa pada dinding sel tanaman sekitar 35-50% dari berat kering

20

tanaman. Selulosa merupakan polimer glukosa dengan ikatan -1,4 glukosida

dalam rantai lurus. Ikatan -1,4 glukosida pada serat selulosa dapat dipecah

menjadi monomer glukosa secara enzimatis (Bhat dan Bhat, 1997).

Tanaman menggunakan sebagian karbohidrat yang terbentuk dari fiksasi

CO2 untuk membuat bahan organik komplek seperti selulosa, yang merupakan

polimer dari glukosa yang tidak larut dalam air. Tanaman secara normal

mengandung selulosa sebanyak 40-50%, komponen penyusun lainnya adalah

lignin (20-30%) dan hemiselulosa (10-30%). Ketika tumbuhan mati secara alami

selulosa, hemiselulosa dan lignin akan didegradasi oleh mikroorganisme tanah

(Pelezar, 1993).

Selulosa terdapat di alam dalam bentuk amorf dan kristalin yang bersifat

tidak larut (Schwarz, 2001). Salah satu contoh selulosa yang dapat larut adalah

Carboxymethyl cellulose (CMC). CMC adalah turunan dari selulosa yang

mengikat karboksimetil (-CH2-COOH) pada gugus hidroksi glukopiranosa.

Senyawa ini dibentuk melalui reaksi alkali dan kloroasetat (Wikipedia, 2007).

Titik pusat pendegradasian selulosa terletak pada pecahnya ikatan 1,4 -

glukosida. Pecahnya ikatan 1,4 - glukosida menyebabkan selulosa terhidrolisis

menjadi senyawa yang lebih sederhana, yaitu oligosakarida (terutama selobiosa).

Selanjutnya oligosakarida akan terhidrolisis menjadi monosakarida (terutama

glukosa). Pemecahan ikatan 1,4 - glukosida dilakukan oleh komplek enzim

selulase (Bondi, 1987).

Selulosa merupakan material yang stabil di alam dan membutuhkan

biodegradasi yang komplek sebelum dapat digunakan oleh mikroba, tumbuhan,

21

atau manusia. Dekomposisi selulosa dapat dilakukan secara proses kimia atau

menggunakan agen mikroba. Mikroba merupakan agen yang potensial untuk

dekomposisi selulosa. Beberapa mikroba, misalnya fungi, yeast, bakteri, dan

kelompok actinomycetes memiliki kemamapuan selulolitik dan mampu

mengubahnya menjadi gula yang sama (glukosa). Proses dekomposisi selulosa

memerlukan suatu enzim yang komplek disebut dengan selulase (Palonen, 2004).

Konversi selulosa menjadi glukosa relatif membutuhkan biaya yang lebih

besar dibandingkan dengan konversi pati. Hal ini disebatkan karena struktur

sekulosa lebih komplek dibadingkan dengan struktur pati, sehingga dibutuhkan

beberapa enzim untuk dapat mendegradasi selulosa. Selain itu enzim pendegradasi

selulosa membutuhkan membutuhkan medium yang mengandung selulosa murni

untuk mengoktimalkan produksi enzim. Selain itu diketahui bahwa selulosa

memiliki struktur yang beragam baik dilihat dari tingkat struktural atau

supramelekulnya. Untuk meminimalkan biaya produksi diperlukan pengembangan

metode konversi sellulosa menjadi glukosa. Salah satu bidang yang sering

dijadikan studi dalam konversi sellulosa adalah mencari mikroorganisme yang

dapat menghasilkan enzim yang lebih aktif dan efisien dalam mengkonversi

selulosa (Walker and Wilson, 1991). Hal ini disebabkan karena adanya

keanekaragaman yang besar pada selulosa yang terdapat di alam, sehingga

ditemukan banyak enzim selulase yang ditemukan. Hal ini berkaitan dengan

kecocokan antara struktur substrat dengan struktur enzim (Beguin and Aubert,

1994).

22

2.4 Degradasi Selulosa

Pada degradasi material lignoselulosa dengan kadar selulosa yang tinggi

sehingga bisa dikatakan selulosa murni (dihasilkan oleh tanaman kapuk), dengan

kadar lignin yang sangat sedikit saja proses degradasi tidak dapat dilakukan

dengan memasukkan selulosa ke dalam sel mikroorganisme. Hal ini terjadi kerena

ukuran selulosa yang cukup besar. Sehingga strategi yang dilakukan oleh

mikroorganisme adalah dengan mengsekresikan enzim selulase. Hal ini dapat

dilihat ketika melakukan isolasi protein yang terdapat pada tanah dan proses

pengomposan, enzim selulase adalah komponen utama dari protein yang

ditemukan (Ahmed et al., 2001).

Untuk mengopimalkan metabolisme bakteri pendegradasi selulosa pada

keadaan minimal nutrient, setiap bakteri mempunyai strategi yang berbeda-beda

tergantung pada karakteristik bakteri tersebut (Jescu, 1995). Besar hasil akhir

yang diperoleh pada proses degradasi tergantung kepada beberapa faktor yaitu pH,

akses terhadap karbon (kecocokan konformasi enzim dengan subtrat), reaksi

redok yang terjadi, konsentrasi produk. Dan untuk mengoktimalkan hasil yang

diperoleh maka diperlukan pengetahun tentang genetika mikroorganisme yang

digunakan, enzimatik, dan termodinamika dalam mekanisme aliran karbon

(carbon flow). Detail pengetahuan mengenai hubungan antara genome content,

gen dan produk ekpresi gen, pathway utilization, dan hasil akhir yang diperoleh

akan sangat penting untuk diketahui dalam degradasi selulosa (Levin et al, 2009).

Karena selulosa di alam yang bersifat berukuran besar dan tidak larut maka enzim

selulase memerlukan perlakuan yang khusus dalam mendegradsi selulosa. Karena

23

substrat yang tidak dapat terdifusi ke dalam enzim, maka enzim selulase harus

menjadi lebih aktif dan mendefusi ke dalam substrat (Mattinen, 1998).

Bakteri selulotik dapat bekerja pada variasi keadaan lingkungan yang

berbedabeda dalam mendegradasi seresah daun pada tanah (Beguin and Aubert,

1994). Mikroba ini dapat mendegradasi melekul komplek, keadaan dimana subtrat

tidak larut dalam air dengan menggunakan berbagai enzim melalui berbagai cara

didalam memutuskan bagian yang berbeda di dalam substrat. Efisiensi degradasi

kayu dengan menggunakan mikorganisme sepeti fungi filamentus, merupakan tipe

yang mengsekresikan dan mengsinergikan aksi enzim selulase dimana bakteri

menggunakan komplek enzim (cellulosome) yang bekerja pada permukaan

substrat (Linder dan Teeri, 1997). Hal ini juga terjadi pada fungi anaerob dimana

memiliki komplek seperti cellulosome dengan ukuran yang lebih besar. Kedua

tipe enzim dapat melepaskan ikatan -1,4-glukosida dengan menggunakan enzim

endo atau exoglukonase yang spesifik yang didasarkan atas topologi dari sisi aktif.

Keberadaan nitrogen sangat mempengaruhi laju degradasi yang terjadi. Umumnya

degradasi selulosa terjadi pada pH normal (Hatami et al., 2008).

Sistem enzim selulase adalah lebih sulit dibandingkan dengan sistem

enzim selulase fungi dan hanya sedikit yang baru diketahui dari sistem enzim

selulase bakteri. Enzim selulase yang dihasilkan oleh Cellulomonas fimi adalah

yang paling sering dilakukan studi. Beberapa bekteri terutama bakteri anaerob

menghasilkan komplek multi enzim yang berukuran besar yang dikenal dengan

cellulosome. Contoh bakteri yang memiliki cellulosome adalah Clostridium

thermocellum (Mattinen, 1998).

24

Pada degradasi selulosa murni laju degradasi terjadi penurunan yang

sangat besar. Penurunan ini disebabkan kerena adanya inhibitor yang sangat

banyak jika dibandingkan pada degradasi lignoselulosa. Selobiosa adalah inhibitor

utama dalam degradasi selulosa, oleh karena itu kehadiran enzim glukosidase

menjadi sangat penting dalam degradasi selulosa. Hal ini karena setelah selobiosa

diubah menjadi glulosa maka laju degradasi menjadi jauh lebih cepat. Hasil akhir

pada degradasi lignoselulosa tergantung kepada tipe bahan mentah yang

digunakan. Pada berbagai penelitian yang dilakukan secra intensif dilakukan maka

diketahui bahwa tidak ada faktor yang paling signifikan pada laju hidrolisis pada

material lignoselulosa yang berbeda. Secara umum dapat dikatakan bahwa faktor

pembatas degradasi selulosa dapat dikelompokkan menjadi dua yaitu struktur dari

substrat, dan mekanisme dan interkasi enzim selulase.

Gambar 2.2 : Skematis Mekanisme Degradasi Selulosa (Beguin and Aubert,1994).

25

Akses enzim selulase terhadap selulosa pada lignoselulosa menjadi yang

penting dalam degradasi selulosa. Selulosa memiliki akses baik eksternal

(dipengaruhi oleh bentuk dan ukuran paticle) dan internal (struktur kapiler pada

fibers). Pada lignoselulosa yang tidak dilakukan pretreatment hanya sedikit pori

yang dapat digunakan sebagai akses enzim selulase terhadap sustrat (Palonen,

2004). Pada pretreatment yang dilakuan untuk menghilangkan hemiselulosa

menunjukan terjadi peningkatan pori dan terdapat permukaan spesifik. Hasil

hidrolisis berkaitan dengan volume pori yang digunakan dalam akses enzim

selulase (Grethlein, 1985 dalam Palonen, 2004). Pada beberapa penelitian

diketahui bahwa pengeringan lignoselulosa menurunkan maka laju degradasi

menjadi jauh lebih cepat. Hasil akhir pada degradasi lignoselulosa tergantung

kepada tipe bahan mentah yang digunakan. Pada berbagai penelitian yang

dilakukan secra intensif dilakukan maka diketahui bahwa tidak ada faktor yang

paling signifikan pada laju hidrolisis pada material lignoselulosa yang berbeda.

Secara umum dapat dikatakan bahwa faktor pembatas degradasi selulosa dapat

dikelompokkan menjadi dua yaitu struktur dari substrat, dan mekanisme dan

interkasi enzim selulase.

Kemampuan degradasi selulosa oleh bakteri berbeda dengan kemampuan

degradasi fungi dalam mendegradasi selulosa. Bakteri memiliki kecenderungan

untuk mendegradasi selulosa crystalline dibandingkan dengan sisi a amorphous,

dan kemampuan ini dimiliki oleh hampir semua bakteri pendegradasi selulosa

baik secara aerob atau anaerob. Namun karena selulosa crystalline tidak dapat

didegradasi oleh enzim selulase tunggal karena sifat selulosa crystalline yang

26

rigrid, maka diduga degradasi selulosa crystalline dilakukan lebih dari satu enzim

(Mulcahy, 1996). Sedangkan fungi memiliki kecenderungan untuk mendegrdasi

selulosa pada sisi amorphous dibandingkan dengan sisi crystalline. Ektrasellular

endo- dan exoglucanase diproduksi oleh berbagai bakteri. Secara umum struktur

enzim selulase bakteri memiliki kesamaaan dengan yang dhasilkan fungi. Bakteri

mensekresikan enzim selulase sebagai enzim ekstraselluler yang bersifat soluble

atau pada keadaan anaerobic membentuk komplek yang disebut dengan

cellulosome yang menempel dengan permukaan sel bakteri . Cellulosome

nampaknya mampu mendegradasi tidak hanya selulosa saja, namun semua jenis

polisakarida termasuk berbagai jenis hemisellulosa seperti xylanases,

mannanases, arabinofuranosides, and pectin lyases (Glazer and Nikaido, 2007).

2.5 Carboxymethylcellulose (CMC)

Selulosa memiliki banyak derivat yang dimanfaatkan di berbagai bidang

kehidupan. Derivat selulosa dilakukan dengan melakukan modifikasi selulosa

murni yang diisolasi. Derivat selulos yang sering digunakan dalam isolasi bakteri

pendegradasi selulosa adalah Hydroxyethylcellulose (HE cellulose) dan

Carboxymethylcellulose (CMC) (Klemm et al., 1998). Carboxymethylation

polisakarida adalah suatu bidang penelitian yang diminati dan banyak dilakukan.

Hal ini kerena metode ini adalah metode yang mudah dilakukan dan hasil yang

diperoleh banyak digunakan untuk berbagai bidang kehidupan. Secara umum

dapat dikatakan bahwa metode yang dilakukan adalah dengan menggunakan

larutan alkali hydroxide (umunya adalah NaCl) pada polisakarida sehingga ada

27

penggantian gugus hidroksi yang terdapat pada polisarida. Jadi

Carboxymethylation tidak terjadi hanya pada selulosa dan pati namun pada

polisakarida yang lain (Heinze, 2005).

Carboxymethylcellulose (CMC) pertama kali ditemukan pada tahun 1918

dan diproduksi secara masal pertama kali pada awal 1920 oleh IG Farbenindustrie

AG di Jerman. Namun hingga sekarang peningkatan teknologi yang digunakan

dalam produksi masih diperbaiki, peningkatan kualitas produk, dan efisiensi

dalam melakukan produksi (Heinze, 2005). Saat ini terdapat berbagai jenis

kualitas CMC yang digolongkan berdasarkan kandungan pada CMC seperti yang

tersaji pada Tabel 2.3 :

Kelompok kualitas dari CMC

Contoh penggunaan

Kandungan CMC (%)

Kandungan garam (%)

Technical

Ditergents, mining

flotation

< 75

> 25

Semi-purifed

Oil and gas drilling muds

75-85

15-25

Purired

Paper coating, textile

sizing and printing, ceramic glazing,

oil drilling muds

> 98

< 2

Extra purified

Food, toothpate, pharmaceuticals

> 99,5

< 0.5

Pada CMC ada 2 istilah yang sering digunakan yaitu Degree of

Polimeritation (DP) dan Degree of Substitution (DS). DP menunjukkan seberapa

panjang atau berapa monomer penyusun suatu rantai CMC. Sedangkan DS

menunjukkan seberapa banyak gugus hidroksi pada selulosa yang diganti dengan

28

gugus lainya setiap 100 AGU (anhydroglucopyranose unit(s)), range dari DS

adalah 0-3. Semakin rendah DS maka akan semakin mudah mikroorganisme

mendegradasi CMC tersebut. Sehingga semakin tinggi DS maka aktifitas enzim

hidrolisis seperti enzim selulase akan menunjukkan hasil yang semakin rendah.

Hal ini karena semakin tinggi DS maka terjadi resistensi CMC terhadap enzim

selulase.Namun DS yang terlalu rendah (0,4 dan 0,7) tidak efektif digunakan

sebagai CMC, sehingga disarankan menggunakan CMC dengan DS 0,9 terutama

pada pengukuran aktifitas enzim selulase pada bakteri (Hankin and Anagnostakis,

1977). Disarankan untuk menggunakan CMC dengan DS 1,2 untuk mendeteksi

enzim selulase yang dihasilkan oleh mikroorganisme yang diisolasi dari tanah dan

air selokan (Hankin et al., 1974; Hankin and Sands, 1974 dalam Hankin and

Anagnostakis, 1977). CMC dengan DS 0,4 baik digunakan untuk mendeteksi

enzim selulase pada beberapa fungi yang tidak dapat efektif mendegradasi CMC

dengan DS 0,9. CMC dengan DS 0,9 dapat digunkan untuk mendeteksi secara

efektif enzim selulase pada semua mikroorganisme. Tidak ada perbedaan yang

nyata antara laju degradasi CMC pada media padat dengan media cair (Hankin

and Anagnostakis, 1977). Hal ini dapat diduga karena enzim selulase disekresikan

pada lingkungan sekitar yang mengandung selulosa.

2.6 Enzim Selulase

Enzim adalah substansi yang paling banyak terdapat dalam sel hidup dan

mempunyai fungsi penting sebagai katalisator reaksi biokimia yang secara

kolektif membentuk metabolisme perantara dari sel. Berdasarkan letak enzim

29

yang dihasilkan oleh mikroba dapat dibedakan dua macam enzim, yaitu enzim

ekstraseluler dan intraseluler. Enzim intraseluler adalah enzim yang terletak di

dalam sel, setelah biakan sel diperoleh maka dilakukan pemecahan sel untuk

mengeluarkan enzim. Untuk mengekstraksi, kultur mikroba disentrifus dan

supernatannya merupakan ekstrak kasar enzim. Enzim ekstraseluler yaitu enzim

yang terletak di luar sel, enzim ini selama proses biosintesis menembus membran

dan keluar dari sel mikroba. Untuk mendapatkan enzim ini tidak perlu diadakan

pemecahan membran sel (Lehninger, 1983).

Enzim selulase merupakan kelompok enzim hidrolitik yang memiliki

kemampuan menghidrolisis selulosa menjadi komponen yang lebih sederhana.

Enzim selulase memiliki peranan penting di alam yaitu dalam proses biohidrolisis.

Selulase dipergunakan dalam ekstraksi komponen penting dari sel tanaman dan

untuk meningkatkan nilai nutrisi pakan ternak (Palonen, 2004).

Tiga tipe utama dari aktivitas enzimatik yang ditemukan, yaitu

Endoglucanase atau 1,4-B-D-glucanase, termasuk 1,4-B-D-glucan-4-glucano-

hydrolase (EC 3.2.1.4), Endoklukanse memotong secra acak pada tempat internal

tidak beraturan dari rantai polisakarida selulosa sehingga menghasilkan

oligosakarida dengan berbagai macam panjang dan selanjutnya ujung rantai baru.

Exoglucanase, termasuk 1,4-B-D-glucan glucanohydrolase (juga dikenal sebagai

cellodextrinase) (EC 3.2.1.74) dan 1,4-B-D-glucan cellobiohydrolase)

(cellobiohydrolase) (EC 3.2.1.91). Exoglukanase bertindak untuk proses reduksi

atau ujung reduksi dari rantai polisakarida selulosa sehingga membebaskan baik

glukosa (glukanohydrolase) atau selebiosa (selebiohidrolase) sebagi produk

30

utama. Exoglukanase dapat berperan pada mikrokristal selulosa dengan

melepaskan rantai selulosa dari struktur mikro Kristal, Cellobiase atau B-

glucosidase atau B-glucosida glucohydrolase (EC. 3.2.1.21). B-Glukosidase

menjadi cellodextrin dan selebiosa untuk dirubah menjadi glukosa (Singleton,

2001).

Tabel 2.4 : Jenis-jenis enzim selulase (Bhat dan Bhat, 1997)

Jenis Enzim Kode EC

Sinonim Mekanisme Reaksi

Endo-(1-4) -D-selulase

EC 3.2.1.4

Endoselulase atau Endoglekanase

-G-G-G-G Memutuskan ikatan secara

acak Ekso-(1-4)- -Dselulase

EC 3.2.1.91

Selobiohidrolase atau

eksoselulase

G-G-G-G Melepaskan

selobiosa baik yang reducing

atau nonreducing end

Ekso-(1-4)- -Dselulase

EC 3.2.1.74

Eksoglukanase atau

glukohidrolase

G-G-G-G Melepaskan glukosa dari non-reducing

end - glukosidase

EC 3.2.1.21

Selobiose G-G, G-G-G Melepaskan glukosa dari

selobiosa atau rantai

cellooligosakarida pendek

Enzim selulase dapat diisolasi dari berbagai sumber, dengan perbedaan

karakteristik berat molekul, komposisi asam amino beserta urutannya, kapasitas

untuk menyerap selulosa dan kemampuan untuk mendegradasi substrat tertentu.

Beberapa enzim selulase yang berasal dari bakteri mempunyai kemampuan yang

31

lebih untuk mendegradasi selulosa secara in vivo dibandingkan dengan enzim

selulosa yang berasal dari fungi (Aklyosov, 2004).

2.7 Identifikasi Bakteri Menggunakan Microbact 12E

Salah satu cara pengidentifikasian mikroorganisme yaitu dengan

menganalisa kemampuan metabolismenya dengan menggunakan suatu metode uji

biokimia. Uji biokimia yaitu meliputi kemampuan mikroorganisme dalam

menggunakan berbagai jenis sumber karbon dan senyawa kimia lainnya. Uji

biokimia yang beragam dan semakin banyak jenis senyawa pengujian maka akan

menghasilkan pengidentifikasian yang spesifik hingga tingkat spesies (Buckle,

dkk, 1987).

Microbact 12E (MB12E) adalah identifikasi sistem komersial untuk

bakteri secara umum dan bakteri Gram negatif golongan enterobacter. Tes Ini

terdiri dari substrat sebanyak 12 biokimia yang berbeda tes ditempatkan di sumur

microbact. Pengujian dengan menggunakan Microbact 12E akan semakin

mempermudah metode pengidentifikasian suatu mikroorganisme. Microbact 12E

mempunyai Sistem yang dirancang untuk mengidentifikasi bakteri dengan

komposisi substrat dan pereaksi yang telah distandarisasi. Pengujian dengan

Microbact 12E (MB12E) memiliki beberapa ketentuan sebelum dilakukan

pengujian, yaitu sampel isolat yang digunakan merupakan isolat yang telah

dimurnikan dan dilarutkan ke dalam garam fisiologis (Oxoid, 2004).

Prinsip kerja dari Microbact 12E (MB12E) yaitu dengan mereaksikan

suspensi isolat ke dalam sumur-sumur yang telah berisi sumber karbon dan

32

senyawa-senyawa biokimia lain yang berjumlah 12 jenis. Suspensi bakteri yang

dilarutkan ke dalam garam fisiologis ditambahkan ke masing-masing 12 sumur uji

biokimia yang tersedia. Setelah diinkubasi selama 18-24 jam pada suhu 37 C

reagen yang sesuai ditambahkan dan perubahan warna tes pada tiap sumur yang

berbeda dicatat. Evaluasi hasil dilihat melalui sumur-sumur microbact apakah

positif atau negatif dengan cara membandingkan dengan table warna dan hasilnya

ditulis pada formulir Patient Record. Angka-angka oktal didapat dari penjumlahan

reaksi positif saja,dari tiap-tiap kelompok (3 sumur didapatkan 1 angka oktal).

Nama bakteri dilihat dengan komputer berdasarkan angka oktal yang didapat

(Oxoid, 2004)